Superledning av metaller, oppdagelsen av Heike Kamerling-Onnes

Den første som kom over fenomenet superledning Heike Kamerling Onnes - Nederlandsk fysiker og kjemiker. Året for oppdagelsen av fenomenet var 1911. Og allerede i 1913 vil forskeren motta Nobelprisen i fysikk for sin forskning.

Ved å gjennomføre en studie av den elektriske motstanden til kvikksølv ved ultralave temperaturer, ønsket han å bestemme til hvilket nivå motstanden til et stoff mot en elektrisk strøm kunne falle hvis det ble renset for urenheter, og å redusere så mye som mulig hva som kan være kalt. » termisk støy «, det vil si å senke temperaturen på disse stoffene. Resultatene var uventede og forbløffende. Ved temperaturer under 4,15 K forsvant plutselig motstanden til kvikksølv helt!

Nedenfor er en graf over hva Onnes observerte.

På den tiden visste vitenskapen i det minste så mye allerede strøm i metaller er strømmen av elektroner, som er separert fra atomene og, som den ladede gassen, blir ført bort av det elektriske feltet.Det er som vind når luft beveger seg fra et område med høyt trykk til et område med lavtrykk. Først nå, når det gjelder strøm, i stedet for luft, er det frie elektroner, og potensialforskjellen mellom endene av ledningen er analog med trykkforskjellen for lufteksemplet.

I dielektrikum er dette umulig, fordi elektronene er tett bundet til atomene deres og det er veldig vanskelig å rive dem fra plassene deres. Og selv om elektronene som danner strømmen i metaller beveger seg relativt fritt, kolliderer de av og til med hindringer i form av vibrerende atomer og det oppstår en slags friksjon som kalles elektrisk motstand.

Men når den er ved ultralav temperatur, begynner den å manifestere seg superledning, friksjonseffekten forsvinner av en eller annen grunn, motstanden til lederen faller til null, noe som betyr at elektronene beveger seg helt fritt, uhindret. Men hvordan er dette mulig?

For å finne svaret på dette spørsmålet har fysikere brukt flere tiår på å forske. Og selv i dag kalles vanlige ledninger "normale" ledninger, mens ledere i en tilstand med null motstand kalles "superledere".

Det skal bemerkes at selv om vanlige ledere reduserer motstanden med synkende temperatur, blir kobber, selv ved en temperatur på flere kelviner, ikke en superleder, og kvikksølv, bly og aluminium gjør det, viser motstanden deres å være minst hundre billioner ganger lavere enn for kobber under de samme forholdene.

Det er verdt å merke seg at Onnes ikke kom med ubegrunnede påstander om at motstanden til kvikksølv under strømmens passasje ble nøyaktig null, og ikke bare sank så mye at det ble umulig å måle den med datidens instrumenter.

Han satte opp et eksperiment der strømmen i en superledende spole nedsenket i flytende helium fortsatte å sirkulere hele veien til ånden fordampet. Kompassnålen, som fulgte magnetfeltet til spolen, avvek ikke i det hele tatt! I 1950 vil et mer nøyaktig eksperiment av denne typen vare i et og et halvt år, og strømmen vil ikke avta på noen måte, til tross for en så lang tidsperiode.

I utgangspunktet er det kjent at den elektriske motstanden til et metall avhenger betydelig av temperaturen, du kan bygge en slik graf for kobber.

Jo høyere temperatur, jo mer vibrerer atomene. Jo mer atomene vibrerer, desto større hindring blir de i veien til elektronene som danner strømmen. Hvis temperaturen på metallet synker, vil motstanden reduseres og nærme seg en viss gjenværende motstand R0. Og denne gjenværende motstanden, som det viste seg, avhenger av sammensetningen og "perfeksjonen" av prøven.

Faktum er at defekter og urenheter finnes i enhver prøve laget av metall. Denne avhengigheten interesserte dem fremfor alt i 1911, i utgangspunktet strebet han ikke etter superledning, men ønsket bare å oppnå en slik frekvens av lederen som mulig for å minimere dens gjenværende motstand.

I de årene var kvikksølv lettere å rense, så forskeren kom over det ved et uhell, til tross for at platina, gull og kobber er bedre ledere enn kvikksølv ved vanlige temperaturer, er det bare vanskeligere å rense dem.

Når temperaturen synker, oppstår den superledende tilstanden brått i et bestemt øyeblikk når temperaturen når et visst kritisk nivå. Denne temperaturen kalles kritisk, når temperaturen synker enda lavere, synker motstanden kraftig til null.

Jo renere prøven er, jo skarpere fall, og i de reneste prøvene skjer dette fallet i et intervall på mindre enn en hundredels grad, men jo mer forurenset prøven er, jo lengre fall og når titalls grader, er dette spesielt merkbar i høytemperatur superledere.

Den kritiske temperaturen til prøven måles midt i det skarpe fallintervallet og er individuelt for hvert stoff: for kvikksølv 4,15K, for niob, 9,2K, for aluminium, 1,18K, etc. Legeringer er en egen historie, deres superledningsevne ble oppdaget senere av Onnes: kvikksølv med gull og kvikksølv med tinn var de første superledende legeringene han oppdaget.

Som nevnt ovenfor utførte forskeren kjølingen med flytende helium. Onnes skaffet forresten flytende helium etter sin egen metode, utviklet i sitt eget spesielle laboratorium, grunnlagt tre år før oppdagelsen av fenomenet superledning.

For å forstå litt om fysikken til superledning, som oppstår ved en kritisk temperatur på prøven slik at motstanden faller til null, bør det nevnes faseovergang... Normaltilstanden, når metallet har normal elektrisk motstand, er normalfasen. Superledende fase — dette er tilstanden når metallet har null motstand. Denne faseovergangen skjer umiddelbart etter den kritiske temperaturen.

Hvorfor skjer faseovergangen? I den opprinnelige "normale" tilstanden er elektronene komfortable i atomene sine, og når strømmen flyter gjennom en ledning i denne tilstanden, brukes energien til kilden for å tvinge noen elektroner til å forlate atomene og begynne å bevege seg langs det elektriske feltet, selv om de møter flimrende hindringer på deres veier.

Når ledningen avkjøles til en temperatur under den kritiske temperaturen og samtidig etableres en strøm gjennom den, blir det mer praktisk for elektronene (energigunstige, energibillige) å være i denne strømmen, og gå tilbake til den opprinnelige "normal" tilstand, det ville være nødvendig i dette tilfellet, for å få ekstra energi fra et sted, men det kommer ikke fra noe sted. Derfor er den superledende tilstanden så stabil at materie ikke kan forlate den med mindre den varmes opp igjen.

Se også:Meissner-effekten og dens bruk